(57)【要約】【課題】小型かつ低消費電力で、剪断応力の提示の自由度が高い剪断応力提示装置を提供する。【解決手段】第一剪断応力生成部１０は、皮膚１ａに対して摩擦力をもって接触回転する第一ローラ１１と、第一ローラ１１を回転駆動する第一モータ１２と、第一モータ１２の位相や回転速度等の回転状態を検出する第一エンコーダ１３とから構成される。第二剪断応力生成部２０は、皮膚に対して摩擦力をもって接触回転する第二ローラ２１と、第二ローラ２１を回転駆動する第二モータ２２と、第二モータ２２の位相や回転速度等の回転状態を検出する第二エンコーダ２３とから構成される。回転制御部３０は、各ローラにより皮膚１ａに所定の剪断応力が提示されるよう、各エンコーダで検出した回転状態に応じ、各モータの回転を制御する。固定部材４０は、各剪断応力生成部を各ローラがともに皮膚１ａに接触するように身体に固定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
皮膚に対して摩擦力をもって接触回転する第一ローラと、当該第一ローラを回転駆動する第一モータと、当該第一モータの位相や回転速度等の回転状態を検出する第一エンコーダと、
を有する第一剪断応力生成部と、
皮膚に対して摩擦力をもって接触回転する第二ローラと、当該第二ローラを回転駆動する第二モータと、当該第二モータの位相や回転速度等の回転状態を検出する第二エンコーダと、
を有する第二剪断応力生成部と、
上記第一ローラと上記第二ローラとにより上記皮膚に所望の剪断応力が提示されるよう、上記各エンコーダで検出した回転状態に応じ、上記第一モータ及び上記第二モータの回転を制御する回転制御部と、
上記第一剪断応力生成部と上記第二剪断応力生成部を、上記第一ローラと上記第二ローラがともに、上記皮膚に接触して回転するように身体に固定する固定部材と、
を備える剪断応力提示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の剪断応力提示装置において、
上記第一剪断応力生成部と上記第二剪断応力生成部は、上記第一ローラによる摩擦方向と上記第二ローラによる摩擦方向とが一直線になるように配置される
ことを特徴とする剪断応力提示装置。
【請求項３】
請求項１に記載の剪断応力提示装置において、
上記第一剪断応力生成部と上記第二剪断応力生成部は、上記第一ローラによる摩擦方向と上記第二ローラによる摩擦方向とが平行になるように配置される
ことを特徴とする剪断応力提示装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の剪断応力提示装置において、
上記回転制御部は、上記第一ローラと上記第二ローラとが互いに逆向きに回転するように制御する
ことを特徴とする剪断応力提示装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の剪断応力提示装置において、
上記回転制御部は、上記各ローラの回転方向が定期的に反転するように制御し、かつ、回転方向が正転方向である時間長とその時の回転速度との積と、逆転方向である時間長とその時の回転速度との積とが等しくなるように制御する
ことを特徴とする剪断応力提示装置。
【請求項６】
請求項５に記載の剪断応力提示装置において、
上記回転制御部は、回転方向が正転方向である時の回転速度と逆転方向である時の回転速度とが異なる
ことを特徴とする剪断応力提示装置。
【請求項７】
皮膚に対して摩擦力をもって接触回転するローラと、当該ローラを回転駆動するモータと、当該モータの位相や回転速度等の回転状態を検出するエンコーダと、
をそれぞれ有する、複数の剪断応力生成部と、
複数の上記ローラにより上記皮膚に所望の剪断応力が提示されるよう、それぞれの剪断応力生成部について、上記エンコーダで検出した回転状態に応じ、上記モータの回転を制御する回転制御部と、
上記複数の剪断応力生成部を、上記各ローラが上記皮膚に接触して回転するように身体に固定する固定部材と、
を備える剪断応力提示装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の剪断応力提示装置において、
上記各モータについて、それぞれ、減速機を更に備えることを特徴とする剪断応力提示装置。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の剪断応力提示装置において、
上記身体を挟んで上記各ローラと対向して配置され、上記身体に圧力を提示することにより、上記各ローラが上記皮膚に接触する圧力を一定に保つ接触圧調整部を更に備え、
上記固定部材は、上記接触圧調整部を上記各剪断応力生成部とともに身体に固定する
ことを特徴とする剪断応力提示装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の剪断応力提示装置において、
上記接触圧調整部は、当該接触圧調整部が上記身体と接触する圧力を検出する圧力センサと、上記身体に圧力を提示するカフと、上記圧力センサによる検出値が一定に保たれるように上記カフを制御する圧力制御部と、
を備えることを特徴とする剪断応力提示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、皮膚に対して、つねられたり、つままれたりしたような感覚を提示する剪断応力提示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
人に対して情報を提示する際に、視聴覚により情報を提示すると、注意が視聴覚に集中し、他への注意力が散漫になってしまうという問題が生じる。例えば、カーナビのような道案内では、視覚情報と聴覚情報が用いられるが、カーナビに気を取られて事故を起こしてしまうようなケースが散見される。また、日常生活の歩行時にも、携帯電話やＰＤＡのような携帯端末の画面に注視している場合や携帯音楽プレーヤーの音楽に注意を向けている場合に、標識を見落として道に迷ったり対向車に気付かなかったりというようなケースが散見される。このような視聴覚からの情報提示による問題は、視聴覚の刺激を運動に反映させるには意識上の解釈を必要とするため、情報を受けてから動作までの遅延時間が生じてしまうことに起因すると考えられる。
【０００３】
そこで、そのような問題を解消するものとして、触覚への刺激による情報提示がある。触覚に情報提示することで、視聴覚により情報提示することが望ましくない又はできない状況においても、触覚という別の感覚器・感覚の経路を利用して、安全に情報を提示することができる。
【０００４】
触覚に刺激を提示する触覚提示装置は、従来、その多くが振動モータを利用したものである。しかし、振動モータによる刺激は、人間の触覚の機械受容器のうち、パチニ小体と呼ばれる受容器で主に検出され、パチニ小体に応答を明確に生成するには高い周波数（２００〜３００Ｈｚ）で刺激を変化させる必要があることから、消費電力を低く抑えることが難しかった。
【０００５】
一方、触覚提示装置の一種として、皮膚をずらす力（剪断応力）を生成して提示する剪断応力提示装置（非特許文献１、２参照）がある。これは、皮膚を適宜ずらすことにより、つまんだりつねったりというような刺激を与える装置である。このような剪断応力による刺激は、人間の触覚の機械受容器のうちマイスナー小体と呼ばれる受容器で主に検出されるが、マイスナー小体は緩やかな動きに反応するため、高い周波数で刺激を変化させる必要がなく、低消費電力で実現することができる。
【非特許文献１】K.Bark, J.W.Wheeler, S.Premakumar, M.R.Cutkosky, "Comparison of Skin Stretch and Vibrotactile Stimulation for Feedback of Proprioceptive Information", Symposium on Haptic Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator Systems, 2008, p.71-78
【非特許文献２】J.Luk, J.Pasquero, S.Little et al.:"A Role for Haptics in Mobile Interaction: Initial Design Using a Handheld Tactile Display Prototype",  Proc. of ACM Conference on Human Factors in Computing Systems(CHI '06), 2006, p.171-180
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
剪断応力提示装置を人が携帯又は装着して利用する場合、小型かつ低消費電力であることが求められる。しかし、非特許文献１の剪断応力提示装置はそもそも携帯することを想定しておらず大型である。また、非特許文献２の剪断応力提示装置は小型ではあるが、ピエゾアクチュエータを用いて剪断応力を提示するものであるため変位量が小さく、十分な変位量を得るには変位拡大のための機構を追加する必要があるため、全体として小型に構成することは難しい。更に、同様な理由から、剪断応力を提示する方向等の自由度を高めるには大型化が伴う。
【０００７】
本発明は、小型かつ低消費電力で、剪断応力の提示の自由度が高い剪断応力提示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の剪断応力提示装置は、第一剪断応力生成部と第二剪断応力生成部と回転制御部と固定部材とを備える。
【０００９】
第一剪断応力生成部は、皮膚に対して摩擦力をもって接触回転する第一ローラと、第一ローラを回転駆動する第一モータと、第一モータの位相や回転速度等の回転状態を検出する第一エンコーダとから構成される。
【００１０】
第二剪断応力生成部は、皮膚に対して摩擦力をもって接触回転する第二ローラと、第二ローラを回転駆動する第二モータと、第二モータの位相や回転速度等の回転状態を検出する第二エンコーダとから構成される。
【００１１】
回転制御部は、第一ローラと第二ローラとにより皮膚に所定の剪断応力が提示されるよう、各エンコーダで検出した回転状態に応じ、第一モータ及び上記第二モータの回転を制御する。
【００１２】
固定部材は、第一剪断応力生成部と第二剪断応力生成部を、第一ローラと第二ローラとがともに皮膚に接触するように身体に固定する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、小型かつ低消費電力で、剪断応力の提示の自由度が高い剪断応力提示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
〔第１実施形態〕
図１に本発明の剪断応力提示装置１００の機能構成例を示す。なお、図１(a)は固定部材を除いた未装着状態の全体構成図であり、図１(b)は固定部材を用いて身体に装着した状態を示すイメージ図である。
【００１５】
剪断応力提示装置１００は、第一剪断応力生成部１０と第二剪断応力生成部２０と回転制御部３０と固定部材４０とを備える。
【００１６】
第一剪断応力生成部１０は、皮膚１ａに対して摩擦力をもって接触回転する第一ローラ１１と、第一ローラ１１を回転駆動する第一モータ１２と、第一モータ１２の位相や回転速度等の回転状態を検出する第一エンコーダ１３とから構成される。また、第二剪断応力生成部２０は、皮膚１ａに対して摩擦力をもって接触回転する第二ローラ２１と、第二ローラ２１を回転駆動する第二モータ２２と、第二モータ２２の位相や回転速度等の回転状態を検出する第二エンコーダ２３とから構成される。
【００１７】
各ローラの皮膚との接触面１１ａ、２１ａは、ローラが回転することで皮膚がずれる程度に摩擦性又は粘着性を有するものとし、より知覚を明確に起こさせるために何らかの表面加工（例えばエンボス加工など）を施してもよい。
【００１８】
各モータは、一般的な小型のモータで構わないが、より効果的に摩擦力を生じさせるにはトルクが大きいものを使用するのが望ましい。また、モータは出力が小さくてもトルクが大きいものであればよいため、モータに減速機を適用してトルクの拡大を図るという方法により、出力がより小さい小型のモータを利用することも可能である。
【００１９】
第一剪断応力生成部１０と第二剪断応力生成部２０は、第一ローラ１１と第二ローラ２１がともに、剪断応力を与えたい皮膚１ａに接触して回転するように、リストバンドなどの固定部材４０により身体１に固定する。
【００２０】
このように各剪断応力生成部が固定された状態で、回転制御部３０が第一エンコーダ１３と第二エンコーダ２３を通じて各モータの回転状態をモニタリングしながら、所望の剪断応力が提示されるように第一モータ１２と第二モータ２２の回転を適宜制御し、第一ローラ１１と第二ローラ２１を回転駆動すると、各ローラと皮膚との間で摩擦が生じ、その摩擦力により皮膚１ａがずらされるという形で剪断応力が提示される。なお、回転制御部３０は、各剪断応力生成部と一体的に具備することとしても、外部のＰＣ等に具備してモータやエンコーダとの間を無線ＬＡＮ等のネットワークを通じて接続することとしても構わない。
【００２１】
剪断応力提示装置１００においては、第一剪断応力生成部１０と第二剪断応力生成部２０との位置関係を適宜変化させることで、提示する感覚を異なるものとすることができる。例えば、図２(a)に示すように、第一剪断応力生成部１０と上記第二剪断応力生成部２０を、第一ローラ１１による摩擦方向と第二ローラ２１による摩擦方向とが一直線になるように配置するとともに、図３(b)に示すように第一ローラ１１を反時計回りに、第二ローラ２１を時計回りにというように２つのローラを互いに逆向きに回転させることで、つままれたような感覚を提示することができる。また、図２(b)に示すように、第一剪断応力生成部１０と第二剪断応力生成部２０を、第一ローラ１１による摩擦方向と第二ローラ２１による摩擦方向とが平行になるように配置して、上記と同様に各ローラを互いに逆向きに回転させると、つねられたような感覚を提示することができる。このように、第一剪断応力生成部１０と第二剪断応力生成部２０との位置関係を適宜変化させることで異なる感覚を生成し提示することができる。更に、このような位置関係の操作に加え、各ローラの回転方向や回転速度を適宜選ぶことで、より多様な感覚を生成し提示することができる。
【００２２】
ところで、剪断応力は上記のとおり主に皮膚のマイスナー小体で検出されるが、マイスナー小体はＦＡ（Fast Adaptation unit）と呼ばれ早く順応する性質を持っており、また、剪断応力は皮膚のたるみや変形限界により一定時間しか提示できないことから、単発の剪断応力提示では刺激が不十分な場合がある。このような問題への対応策として、回転制御部３０により、各ローラの回転方向を定期的に反転するように制御するとともに、回転方向が正転方向である時間長とその時の回転速度との積と、逆転方向である時間長とその時の回転速度との積とが等しくなるように制御することが考えられる。このように制御することで、各ローラの正転方向の移動距離と逆転方向の移動距離とが等しくなるため、刺激を繰り返し与えつつ周期的にローラの位置を回転前の初期状態に戻すことができる。例えば、図３(a)のような皮膚にたるみや変形が無い初期状態から、図３(b)のようなつまんだ状態へ移行し、再び図３(a)の初期状態に戻すという動作を繰り返すことができる。このような繰り返し動作により、剪断応力を長時間提示することができるため、順応の影響が排除され十分な刺激を与えることができる。
【００２３】
また、繰り返し動作による刺激は、ローラの正転方向の回転速度と逆転方向の回転速度とを非対称にすることで、より効果的に与えることができる。これについて、図３において正転方向を第一ローラ１１については反時計回り、第二ローラ２１については時計回りと定義し、各ローラの回転方向と速度を図４に示すように変化させる場合を例にとって説明する。この例では、ローラを正転方向に回転させることにより剪断応力が与えられて、図３(a)に示すような皮膚のたるみの無い初期状態から図３(b)に示すようなつままれた状態になり、続いて逆転方向に回転させることにより剪断応力が解放されて初期状態に戻ることになる。このような往復動作の中で、刺激が発生するのは剪断応力が与えられる正転方向のみである一方、剪断応力が検出されるマイスナー小体は上記のとおり緩やかな動きにも反応する。そこで、図４に示すように正転方向には時間をかけて低速で回転させ、逆転方向には短時間で高速に回転させるように制御することで、実際には応力が周期的に開放されているにもかかわらず、つままれ続けているような感覚を提示することができる。ただし、剪断応力を与える時間（この例では正転方向に回転する時間）を長く設定し過ぎるとマイスナー小体が順応してしまうため、順応しない程度の長さに設定するのが望ましい。
【００２４】
以上のように本発明においては、ローラの回転によって皮膚の変位を発生させるため、ピエゾアクチュエータのような変位量の制約が生じず、なおかつ、ローラを回転させるモータは小型のもので構わないため、小型でかつ消費電力の少ない剪断応力提示装置を実現することができる。また、各剪断応力生成部の配置や各ローラの回転速度・時間・方向を適宜工夫することで、多様な剪断応力を生成し提示することができる。
【００２５】
〔第２実施形態〕
第１実施形態では、２個の剪断応力生成部を有する剪断応力提示装置を説明したが、本発明の剪断応力生成部は小型であるため、必ずしも２個で構成する必要はなく、用途に応じ、またサイズが許す限り、３個以上で構成しても構わない。３個の場合の配置例を図５(a)に、４個の場合の配置例を図５(b)に示す。
【００２６】
このように剪断応力生成部の数を増加させ、各剪断応力生成部の配置や各ローラの回転速度・時間・方向を適宜工夫することで、更に多様な剪断応力を生成し提示可能な剪断応力提示装置を簡単な構成で容易に実現することができる。
【００２７】
〔第３実施形態〕
図６に本発明の剪断応力提示装置２００の機能構成例を示す。なお、図６(a)は固定部材を用いて身体に装着した状態を示すイメージ図であり、図６(b)は剪断応力提示装置２００の構成要素である接触圧調整部５０の構成例を示す図である。
【００２８】
剪断応力提示装置２００は、第一剪断応力生成部１０と第二剪断応力生成部２０と回転制御部３０と固定部材４０と接触圧調整部５０とを備え、つまり、第１実施形態で説明した剪断応力提示装置１００に接触圧調整部５０を加えたものである。なお、ここでは剪断応力生成部が２個の場合（第１実施形態の構成）で説明するが、剪断応力生成部が３個以上の場合（第２実施形態の構成）にも同様に適用可能である。
【００２９】
第１実施形態の構成の場合、第一ローラ１１及び第二ローラ２１と皮膚１ａとが接触する圧力は、身体が動くことで接触状態が変化したり、装着部位や各人の身体の寸法の相違によって相違が生じ、思うように剪断応力を提示できない可能性がある。そこで第３実施形態では、身体１を挟んで各ローラと対向するように接触圧調整部５０を配置し、リストバンドなどの固定部材４０により各剪断応力生成部と一体的に身体１に固定する。このように接触圧調整部５０を配置することで、接触圧調整部５０から身体１に圧力を提示すると、身体１を介して各ローラと皮膚１ａとが接触する圧力を変化させることができる。従って、身体１に提示する圧力を適宜調整することで各ローラと皮膚とが接触する圧力を一定に保つことができる。
【００３０】
このような接触圧調整部５０は、例えば、図６(b)に示すように圧力センサ５１とカフ５２と圧力制御部５３とから構成することができる。圧力センサ５１は、接触圧調整部５０が身体１と接触する圧力を検出する。カフ５２は、身体１に圧力を提示する一般的な圧力提示装置である。圧力制御部５３は、圧力センサ５１による検出値に応じ、各ローラと皮膚１ａとが接触する圧力が一定に保たれるように、カフ５２により身体１に提示する圧力を制御する。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、視聴覚により情報提示することが望ましくない又はできない状況において、小型の装置により情報を提示したい場合において特に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態の複数信号区間推定装置の機能構成例を示す図
【図２】第１実施形態の剪断応力提示装置の各剪断応力生成部の配置例を示す図
【図３】ローラの回転により剪断応力が提示されるイメージを説明する図
【図４】ローラの回転速度を回転方向により相違させる場合の制御イメージを示す図
【図５】第２実施形態の剪断応力提示装置の各剪断応力生成部の配置例を示す図
【図６】第３実施形態の剪断応力提示装置の機能構成例を示す図
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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